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从安全寿命到损伤容限 ——结构设计的观念演变 摘要  结构的设计，必须在性能、安全、成本三者间取得平衡。  最早仅考虑材料静力强度；20 世纪 30 年代后为采用线性疲劳观 念的“安全寿命”， 50 年代改进为“破损安全”；而 70 年代则使得 “损伤容限”成为现今的标准结构设计准则。1988 年揭示了散布型 疲劳损伤（亦称为“广布疲劳”）成为“损伤容限”结构设计的新课 题。  1、静力强度  早期应用中，由于金属材料极富韧性（ductility ），结构设计方法 很保守，因此结构的安全裕度（Margin of Safety ）相当大。在结构遭 遇疲劳问题之前，设备早就因为其它使用原因而失效了，因此结构疲 劳寿命不是此时的设计重点。结构设计只要满足材料静力强度 （Static  Strength ）就不会有问题，结构分析则以静力试验为佐证，试验负载 是使用负载乘以一个安全系数，以计入不确定因素，比如：负载不确 定、结构分析不准确、材料性质变异、制造质量变异……等。  为了减轻结构重量以提升使用性能，在材料静力强度主导结构安 全的思想下，一些强度高但韧性低的金属材料开始出现在设备结构上。 只是此时的设备运行工况已非昔日设计工况可比，结构应力大增，应 力集中（Stress Concentration ）效应使高应力情况更加恶化，最后导 致产生疲劳裂纹，降低了结构安全裕度，材料静力强度已不足以保证 设备运行的结构安全。  2.  “安全寿命”  “安全寿命”（Safe Life）设计观念。在这种设计观念里，设备在 预定的运行期间内需能承受预期的反复性负载，当结构运行时数到达 运行寿命时，认定结构疲劳寿命已经完全耗尽，设备必须报废。  “安全寿命”设计观念的缺点，在于它的疲劳分析与设计一般是 采用“疲劳强度耐久限制”（Fatigue Strength‐Endurance Limit）的方法， 也就是所谓的麦林法则（Miners Rule）。它是在实验室里对多片截面 积各异的小尺寸材料试片，施加不同的等振幅（Constant Amplitude ） 负载，直到试片疲劳破坏为止，以获得此材料在各种施加应力和发生 疲劳破坏的负载周期之数据，称之为 S‐N 曲线（S‐N Curve，S 代表施 加应力，N 代表负载周期数），再以实际结构件在各种设计运行条件 下的应力，找到相对应的疲劳破坏负载周期数，依线性累加的方式加 总，就可预测结构的疲劳寿命，并应用于设计。虽然这种方法已行之 多年，且普遍为一般结构设计及分析所接受，然而这种分析方法有其 先天上的缺点，使得分析的结果常不符合实际。  因为一般在实验室里做这种小型试片的疲劳试验时，试片表面上 都有经过特别处理，以使试片表面尽可能光滑平整而没有任何缺陷， 也就是没有任何裂纹的存在。因此，由这种试片所得的疲劳寿命试验 数据，就包括了裂纹初始（Crack Initiation）及裂纹生长（Crack Growth ） 这两两部分。所所谓裂纹纹初始（Crrack Initiattion ），是是指试片表表面没有裂裂纹 至发发现有初始始裂纹（Initial Crack ）的那那一段时间间，至于初初始裂纹的的大 小、、尺寸、何何时会发发现，那要要看该实验验室的非破破坏性检验验能力而定。 而裂裂纹生长，则是指初初始裂纹纹由此之后后继续扩展展，直到最最终试片完完全 断裂裂的那一段段时间。    SAE10455 钢材的 SS‐N 曲线 如果把这这种数据应用于设设备的结构构分析及设设计上，由由于我们很很难 相信信也无法保保证所有有结构零件件都处于完完美无瑕的的情况，换换言之，结结构 上很很可能 （事事实上也早已预先先）存在着着各式各样样微小的裂裂纹，只是是制 造时时的非破坏坏性检验验能力无法法发现。如果结构上上早已预先先存在着有有裂 纹，，则它的疲疲劳寿命中就不再再包含裂纹纹初始的那那一段时间间，而在传传统 的疲疲劳试验里里，裂纹初初始阶段所所花的时间约占了了全部疲劳劳寿命的百百分 之九十以上。传统的麦林法则分析结果，一律包含了裂纹初始及裂纹 生长两阶段时间，显然过于乐观，也因此在传统的疲劳设计里，往往 要采用一相当大的安全系数（一般是 4 ）来尽量避免这项偏差，而过 大的安全系数又常常会造成设计结构的超重。